3D打印技术介绍

3D打印技术介绍

相关背景

3D打印[1]已经成为一种潮流，并开始广泛应用在设计领域，尤其是工业设计，数码

产品开模等，可以在数小时内完成一个模具的打印，节约了很多产品从开发到投入市场的

时间。[2-3]

3D 打印机可以用各种原料打印三维模型，使用3D 辅助设计软件，工程师设计出一

个模型或原型之后，无论设计的是一所房子还是人工心脏瓣膜，之后通过相关公司生产的

3D打印机进行打印，打印的原料可以是有机或者无机的的材料，例如橡胶、塑料，不同的

打印机厂商所提供的打印材质不同。[4]

3D打印机，即快速成形技术的一种机器，它是一种数字模型文件为基础，运用粉末状

金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。过去其常在模具制造、

工业设计等领域被用于制造模型，现正逐渐用于一些产品的直接制造。特别是一些高价值

应用（比如髋关节或牙齿，或一些飞机零部件）已经有使用这种技术打印而成的零部件。

“三维打印”意味着这项技术的普及。

3D打印通常是采用数字技术材料打印机来实现。这种打印机的产量以及销量在二十一

世纪以来就已经得到了极大的增长，其价格也正逐年下降。

该技术珠宝，鞋类，工业设计，建筑，工程和施工（AEC），汽车，航空航天，牙科和

医疗产业，教育，地理信息系统，土木工程以及其他领域都有所应用。[5]

发明历程

起源

3D打印源自100多年前的照相雕塑和地貌成形技术，上世纪80年代已有雏形，其学

名为“快速成型”。它的原理是：把数据和原料放进3D打印机中，机器会按照程序把产品

一层层造出来。打印出的产品，可以即时使用。

发明伊始

据报道，美国科学家发明了一种可打印出三维效果的打印机，并已将其成功

可打印出塑料制成的固体制品

推向市场。普通打印机能打印一些报告等平面纸张资料。而这种最新发明的打印机，

它不仅使立体物品的造价降低，且激发了人们的想象力。未来三维打印机的应用将会更加

广泛。

三维打印机不仅使立体物品的造价降低，且激发了人们的想象力。未来三维打印机的

应用将会更加广泛。

在此之前，三维打印机数量很少，大多集中在“科学怪人”和电子产品爱好者手中。

他们主要用来打印像珠宝、玩具、工具、厨房用品之类的东西。甚至有汽车专家打印出了

汽车零部件，然后根据塑料模型去订制真正市面上买不到的零部件。

人们可以在一些电子产品商店购买到这类打印机，工厂也在进行直接销售。不过物以

稀为贵，一套三维打印机的价格从一般的750美元到上等质量的27000美元不等。

科学家们表示，三维打印机的使用范围还很有限，不过在未来的某一天人们一定可以

通过3D打印机打印出更实用的物品。

发展过程

3D打印，又称三维打印，它是快速成形技术的一种，它是运用粉末状金属或塑料等可

粘合材料，通过一层又一层的多层打印方式，构造零对象。模具制造、工业设计用于建造

模型，现正发展成产品制造，形成“直接数字化制造”。一些高价值应用（如髋关节或牙齿，

或飞机零部件）已经有打印而成的零部件出现。“3D打印”意味着这项技术的普及。

在20世纪80年代中期，SLS被在美国德州大学奥斯汀分校的卡尔Deckard博士开

发出来并获得专利，项目由DARPA赞助的。1979年，类似过程由RF Housholder得到

专利，但没有被商业化。

3d打印机

1995年，麻省理工创造了“三维打印”一词，当时的毕业生Jim Bredt和Tim Anderson

修改了喷墨打印机方案，变为把约束溶剂挤压到粉末床的解决方案，而不是把墨水挤压在

纸张上的方案。

说到3D打印，就不得不提3D打印机：

3D打印机又称三维打印机，是一种累积制造技术，通过打印一层层的粘合材料来制造

三维的物体。现阶段三维打印机被用来制造样品。 2003年以来三维打印机的销售逐渐扩

大，价格也开始下降。

该技术可用于珠宝，鞋类，工业设计，建筑，工程和施工（AEC），汽车，航空航天，

牙科和医疗产业，教育，地理信息系统，土木工程，和许多其他领域。

最早的3D打印出现在上个世纪的80年代，价格极其昂贵且所能打印的产品数量也少

得可怜。

[6]

最早的3d打印机

工作原理

设计

2010年3月，一位名为恩里科· 迪尼（Enrico Dini ）的发明家设计出了一种神奇的

3D打印机，它甚至可以“打印”出一幢完整的建筑。

3d打印机和打印物(19张)

据恩里科·迪尼介绍，这种打印机的原料主要是沙子。当打印机开始工作时，它的上千

个喷嘴中会同时喷出沙子和一种镁基胶。这种特制的胶水会将沙子粘成像岩石一样坚固的

固体，并形成特定的形状，然后只需要按照预先设定的形状一层层喷上这种材料，最终就

可以“打印”一个完整的雕塑或者教堂建筑。3D打印是添加剂制造技术的一种形式，在添

加剂制造技术中三维对象是通过连续的物理层创建出来的。3D打印机相对于其他的添加剂

制造技术而言，具有速度快，价格便宜，高易用性等优点。

3D打印机就是可以“打印”出真实3D物体的一种设备，功能上与激光成型技术一样，

采用分层加工、迭加成形，即通过逐层增加材料来生成3D实体，与传统的去除材料加工

技术完全不同。称之为“打印机”是参照了其技术原理，因为分层加工的过程与喷墨打印

十分相似。随着这项技术的不断进步，我们已经能够生产出与原型的外观、感觉和功能极

为接近的3D模型。

说的简单一点，3D打印是断层扫描的逆过程，断层扫描是把某个东西“切“成无数叠

加的片，3D打印就是一片一片的打印，然后叠加到一起，成为一个立体物体。

使用3D打印机就像打印一封信：轻点电脑屏幕上的“打印”按钮，一份数字文件便

被传送到一台喷墨打印机上，它将一层墨水喷到纸的表面以形成一副二维图像。而在3D

打印时，软件通过电脑辅助设计技术（CAD）完成一系列数字切片，并将这些切片的信息

传送到3D打印机上，后者会将连续的薄型层面堆叠起来，直到一个固态物体成型。3D打

印机与传统打印机最大的区别在于它使用的“墨水”是实实在在的原材料。

[7]

打印特点

3D打印技术对于生产者来说，可大幅降低生产成本，提高原材料和能源的使用效率，

减少对环境的影响，它还使消费者能根据自己的需求量身定制产品。

[8]

3D打印机既不需要用纸，也不需要用墨，而是通过电子制图、远程数据传输、激光扫

描、材料熔化等一系列技术，使特定金属粉或者记忆材料熔化，并按照电子模型图的指示

一层层重新叠加起来，最终把电子模型图变成实物。其优点是大大节省工业样品制作时间，

且可以“打印”造型复杂的产品。因此许多专家认为，这种技术代表制造业发展新趋势。

工作步骤

3D打印机工作步骤是这样的：使用CAD软件来创建物品，如果你有现成的模型也可

以，比如动物模型、人物、 或者微缩建筑等等。然后通过SD卡或者USB优盘把它拷贝

到3D打印机中，进行打印设置后，打印机就可以把它们打印出来，其工作结构分解图如

下。3D打印机的工作原理和传统打印机基本一样，都是由控制组件、机械组件、打印头、

耗材和介质等架构组成的，打印原理是一样的。3D打印机主要是在打印前在电脑上设计了

一个完整的三维立体模型，然后再进行打印输出。

[3]

3D打印与激光成型技术一样，采用了分层加工、叠加成型来完成3D实体打印。每一

层的打印过程分为两步，首先在需要成型的区域喷洒一层特殊胶水，胶水液滴本身很小，

且不易扩散。然后是喷洒一层均匀的粉末，粉末遇到胶水会迅速固化黏结，而没有胶水的

区域仍保持松散状态。这样在一层胶水一层粉末的交替下，实体模型将会被“打印”成型，

打印完毕后只要扫除松散的粉末即可“刨”出模型，而剩余粉末还可循环利用。

实际过程(6张)

应用领域

3D打印机的应用对象可以是任何行业，只要这些行业需要模型和原型。以色列的

Objet公司认为，3D打印机

[9]

需求量较大的行业包括政府、航天和国防、医疗设备、高科

技、教育业以及制造业。

医疗行业。一位83岁的老人由于患有慢性的骨头感染，因此换上了由3D打印机“打

印”出来的下颚骨，这是世界上首位使用3D打印产品做人体骨骼的案例。

骨骼打印 据国外媒体报道，在不久的将来外科医生们或许就将可以在手术中现场利

用打印设备打印出各种尺寸的骨骼用于临床使用

[10]

。这种神奇的3D打印机已经被制造出

来了，而用于替代真实人体骨骼的打印材料则正在紧锣密鼓地测试之中。

在实验室测试中，这种骨骼替代打印材料已经被证明可以支持人体骨骼细胞在其中生

长，并且其有效性也已经在老鼠和兔子身上得到了验证。未来数年内，打印出的质量更好

的骨骼替代品或将帮助外科手术医师进行骨骼损伤的修复，用于牙医诊所，甚至帮助骨质

疏松症患者恢复健康。

3D打印技术迅速兴起，成为炙手可热的新型产业，它可以打印的立体产品种类正迅速

增加。为了打印骨

3D打印机图片(20张)

骼材料，博斯和她的同事们使用了一台商业销售的ProMetal 3D打印机进行测试。这

种3D打印机最初的设计目的是为了打印金属件。它会逐层喷洒塑料胶粒在一层粉末基底

之上并逐层成型。每一层的厚度仅相当于人的头发丝宽度的一半。

这种骨骼支架的主要材料成分是磷酸钙，其中还额外添加了硅和锌以便增强其强度。

当它被植入人体内之后可以暂时起到骨骼的支撑作用，并在此过程中帮助正常骨骼细胞生

长发育并由此修复之前的损伤，随后这种材料可以在人体内自然溶解。

科学家们花费4年时间才找出这种材料的合适配方，其中涉及化学，材料学，生物学

和工艺科学的诸多学科。

科学研究---美国德雷塞尔大学的研究人员通过对化石进行3D扫描，利用3D打印技

术做出了适合研究的3D模型，不但保留了原化石所有的外在特征，同时还做了比例缩减，

更适合研究。

产品原型---比如微软的3D模型打印车间，在产品设计出来之后，通过3D打印机打

印出来模型，能够让设计制造部门更好的改良产品，打造出更出色的产品。

文物保护---博物馆里常常会用很多复杂的替代品来保护原始作品不受环境或意外事

件的伤害，同时复制品也能将艺术或文物的影响更多更远的人。史密森尼博物馆就因为原

始的托马斯·杰弗逊要放在弗吉尼亚州展览，所以博物馆用了一个巨大的3D打印替代品放

在了原来雕塑的位置。

建筑设计---在建筑业里，工程师和设计师们已经接受了用3D打印机打印的建筑模型，

这种方法快速、成本低、环保，同时制作精美。完全合乎设计者的要求，同时又能节省大

量材料。

制造业---制造业也需要很多3D打印产品，因为3D打印无论是在成本、速度和精确

度上都要比传统制造好很多。而3D打印技术本身非常适合大规模生产，所以制造业利用

3D技术能带来很多好处，甚至连质量控制都不再是个问题。

食品产业---没错，就是“打印”食品。研究人员已经开始尝试打印巧克力了。或许在

不久的将来，很多看起来一模一样的食品就是用食品3D打印机“打印”出来的。当然，

到那时可能人工制作的食品会贵很多倍。

汽车制造业---不是说你的车是3D打印机打印出来的（当然或许有一天这也有可能），

而是说汽车行业在进行安全性测试等工作时，会将一些非关键部件用3D打印的产品替代，

在追求效率的同时降低成本。

配件、饰品---这是最广阔的一个市场。在未来不管是你的个性笔筒，还是有你半身浮

雕的手机外壳，抑或是你和爱人拥有的世界上独一无二的戒指，都有可能是通过3D打印

机打印出来的。甚至不用等到未来，就可以实现。

[12]

发展前景

恩里科·迪尼称，他已经在和建筑大师诺曼·福斯特、阿尔塔空间公司等进行讨论，希望

能设计出一种可以使用月球尘土的打印机，届时在月球上就可以使用这种打印机快速的建

造出人类的月球基地。

[4]

预计2050年实现3D打印机制造飞机

欧洲飞机制造公司Airbus的设计师透露3D打印飞机打造计划，预计2050前达成。

据Forbes报导，此计划将使用机库般大小的3D打印机，制造飞机零件，Airbus的

员工Bastian Schafer描述他的构想：此架飞机80米长，曲面机身由透明材质制成，乘客

就感觉彷佛翱翔在云端中。

Airbus提出的概念型飞机具自我清洁功能，在2011年时已完成内建类神经网络、抗

氧化空气，以及体热采集设备，Schafer在过去两年集合一群Airbus工业设计师团队，为

了这概念而努力，他表示：「这个机会让我们能做些不一样的事」。

[13]

行业现状

3D打印机发展

1、价格因素：

大多数桌面级3D打印机的售价在2万元人民币左右，一些国内的仿制品价格可以低

到6000元。但是据3D打印机代理商透露，国产的3D打印机虽然价格低，但质量很难保

障。

对于桌面级3D打印机来说，由于仅能打印塑料产品，因此使用范围非常有限，而且

对于家庭用户来说，3D打印机的使用成本仍然很高。因为在打印一个物品之前，人们必须

会懂得3D建模，然后将数据转换成3D打印机能够读取的格式，最后再进行打印。

2、原材料

3D打印不是一项高深艰难的技术。它与普通打印的区别就在于打印材料。

以色列的Object是掌握最多打印材料的公司。它已经可以使用14种基本材料并在此

基础上混搭出107种材料，两种材料的混搭使用、上色也已经是现实。但是，这些材料种

类与人们生活的大千世界里的材料相比，还相差甚远。不仅如此，这些材料的价格便宜的

几百元一公斤，最贵的要四万元左右。

3、社会风险成本

如同核反应既能发电，又能破坏一样。3D打印技术在初期就让人们看到了一系列隐忧，

而未来的发展也会令不少人担心。如果什么都能彻底复制，想到什么就能制造出什么，听

上去很美的同时，也着实让人恐惧。

[14]

4、著名的3D打印悖论

3d打印是一层层来制作物品，如果想把物品制作的更精细，则需要每层厚度减小；如

果想提高打印速度，则需要增加层厚，而这势必影响产品的精度质量。若生产同样精度的

产品，同传统的大规模工业生产相比，没有成本上的优势，尤其是考虑到时间成本，规模

成本之后。

5、整个行业没有标准，难以形成产业链

21世纪3d打印机生产商是百花齐放，如战国时代。 3D打印机缺乏标准，同一个3d

模型给不同的打印机打印，所得到的结果是大不相同的。此外，打印原材料也缺乏标准，

2012-2013年3d打印机厂商都想让消费者买自己提供的打印原料，这样他们能获取稳定

的收入。这样做虽然可以理解，毕竟普通打印机也走这一模式，但3d打印机生产商所用

的原料一致性太差，从形式到内容千差万别，这让材料生产商很难进入，研发成本和供货

风险都很大，难以形成产业链。表面上是3D打印机捆绑了3D打印材料，事实上却是材

料捆绑了打印机，非常不利于降低成本和抵抗风险。

6、意料之外的工序：3d打印前所需的准备工序，打印后的处理工序

很多人可能以为3d打印就是电脑上设计一个模型，不管多复杂的内面，结构，摁一

下按钮，3d打印机就能打印一个成品。这个印象其实不正确。真正设计一个模型，特别是

一个复杂的模型，需要大量的工程，结构方面的知识，需要精细的技巧，并根据具体情况

进行调整。用塑料熔融打印来举例，如果在一个复杂部件内部没有设计合理的支撑，打印

的结果很可能是会变形的。后期的工序也通常避免不了。媒体将3d打印描述成打印完毕

就能直接使用的神器。可事实上制作完成后还需要一些后续工艺：或打磨，或烧结，或组

装，或切割，这些过程通常需要大量的手工工作。

7、缺乏杀手锏产品及设计

都说3d打印能给人们巨大的生产自由度，能生产前所未有的东西。可直到2012年，

这种“杀手”级别的产品还很少，几乎没有。做些小规模的饰品，艺术品是可以的，做逆

向工程也可以的，但要谈到大规模工业生产，3d打印还不能取代传统的生产方式。如果

3d打印能生产别的工艺所不能生产的产品，而这种产品又能极大提高某些性能，或能极大

改善生活的品质，这样或许能更快的促进3d打印机的普及。可2012-2013年3d打印机

这方面并不尽如人意。